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期刊导读

基于成本控制的车身产品开发
Vehicle Body Development Based on Cost-Control

张海华 ZHANG Hai-hua;余欢庆 YU Huan-qing;王镝 WANG Di
(泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201208)
(Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China)

摘要:目前汽车市场竞争激烈,产销量较大,控制产品的单位成本是提升产品竞争力的有效手段。本文从设计前期成本规划和设计阶段的技术手段两个阶段,通过两个工具的和两个具体案例的介绍,论述了如何从设计层面降低车身产品的总体成本,提供了在开发中控制车身产品成本的思路和方法。 
Abstract: Due to the keen competition and large volume of the vehicle market, the cost management of production is an effective method of enterprise competitive ability improvement.  This paper expounds how to control the vehicle body cost from advanced design phase and shows the conception and method of vehicle body cost control by two tools and two cases instruction in project cost scheme stage and production development stage.
关键词:低成本;材料利用率;车身;前期规划
Key words: low cost;material utilization;body;advanced layout

  中图分类号:U464.13                                      文献标识码:A                                  文章编号:1006-4311(2018)30-0005-03

1  概述
目前汽车市场竞争激烈,各汽车公司为了抢占市场,在大打价格战的同时,也担负着巨大的盈利压力。在市场降价及原材料上涨等双重压力之下,如何控制企业成本,开发出性价比高、性能优良的产品及相关服务变得尤为重要,成为能否在激烈的市场竞争中生存下去的关键因素。由于汽车产销量较大,若想有效提升企业盈利能力,相对有效的办法就是控制产品的单位成本,减少产品设计中不必要的浪费。车身成本能占到整车成本的10%,因此降低车身成本对控制整车成本来说意义重大。而在降成本的各种措施中,开发阶段的降本无疑是最有效率的[1]。因此本文主要通过设计前期成本规划和设计阶段技术手段两方面阐述,提供了控制车身开发成本的思路和方法,为车身产品的成本控制提供借鉴。
2  前期成本规划
对于市面上主流的高产销量,定位中低端的车型来说,主要以传统钢材为车身构成材料,在这种情况下,其成本往往和重量成近似正比关系,即可以以重量控制替代成本控制。通过开发前期设立合理的重量目标,可以有效地反映成本目标或与其互相印证,控制和指导后续设计的方向。
但在开发前期,具体设计并没有成熟,因此只有基于历史车型的数据或者其他厂家的产品建立可靠的重量测算模型,以进行车身重量的预估。
为了建立该模型,主要考虑对车身重量产生影响有以下几个方面:车型尺寸(轴距W轮距T),动力总成重量P,安全需求S,高强钢占比R这几方面。其中W和T除了在几何方面对车身重量的直接影响外,较大的车定位较高,往往对整车扭转刚度的要求也比小型车要高。但较大的几何尺寸本身不利于整车扭转刚度的提升。因此为了实现性能要求,会需要更厚钢板或更多的结构,从而进一步推高车身重量。P和S则是通过被动安全性能对车身重量产生影响。更大的动力总成组合以及更高的安全性能要求意味着在碰撞过程中车身结构需要吸收更多的动能,即更厚更高等级的材料或者更强的载荷路径。高强钢占比R越大则意味着车身可以做到更轻,但是高强钢导致产品单价提升。尤其是热成型钢材,影响更为明显。
因此通过对数据库中的已有车型的相关数据进行整理和拟合,可以获得一个重量相关于上述四个因素的数学模型经验公式M=f(W,T,P,S)(1)。其中M为估测的目标车身重量。实际工作中,运用该公式对若干已有车型进行反算后得到的结果如表1所示。
需要注意的是由于基于历史数据进行归纳,因此式(1)尚无严谨的论证方法,并且随着技术的进步和产品的不断推陈出新,公式中用到的常数也处于一个动态更新的状态。如果将表1中的历史车型的实际重量做为纵坐标,公式预估重量做为横坐标,我们就可以把所有车型以散点图形式表达出来,如图1所示。图中深色虚线为过原点的直线,意味着落在上面的点实际值和预估值一致。浅色虚线则是所有这些车型的拟合直线。理想状态下,这两条线应该重合。将来随着车型数据的增多,拟合线会发生变化。当两条线的夹角超过一定程度后,就需要对经验公式进行修正。
式(1)及其计算得到的估测重量的意义在于,可以为后续开发过程中获得的实际重量数据进行比较,并且作为探测当前重量的设计状态是否存在冗余或者是否达到足够精益,即如果当前设计状态小于公式预估值,说明当前结构效率较高,反之,则说明可能存在冗余。
这里需要指出的是,即便对于含有有色金属或者高分子材料的混合车身的开发,也可以使用这个预测公式计算假设钢材车身的对比基础值。
在前期开发阶段,还有一个基于巴雷特(Pareto)分配律法[2]发展而来的料厚百分比曲线分析方法,可以配合重量预估经验公式一起对后续的产品开发进行重量控制。由于车身用的钢材板金件本身并不存在复杂的黑盒机械结构,性质相对其他汽车零件较为单一,因此很适合用料厚百分比曲线方法进行状态监控。类似于重量经验共识,我们同样从数据库中获取已有参考车型数据,然后绘出这些车型的料厚分析曲线,推断出目标开发车型有竞争力的料厚状态,并以此指导设计。料厚曲线法具体步骤如下:
①统计出某一车型所有料厚种类,并从小到大排序;②将每一个料厚种类的零件重量相加;③计算出每一种料厚及其以下料厚的总重在整个车身板金件重量中所占的百分比;④以料厚为x轴,以第3步计算出的累加重量百分比为Y轴,绘出曲线;⑤在纵坐标某一位置划一条水平线,该线和曲线的交即为该车型的“料厚状态”;⑥重复以上步骤完成所有参考车型曲线的绘制,如图2所示。
依据图中数据,可以制定出当前型有竞争力的料厚状态策略,例如在1.1mm及以下。在未来的开发过程中定期对车身的设计状态进行复核,如果料厚状态超过了给定数值,意味着结构效率不高,存在改进必要。
3  设计阶段的重量控制
前期的预估和规划相当于给产品设计设定一个目标。由于本文所涉及的钢制车身可以用重量目标替代成本目标进行控制,因此目前的一些轻量化设计方法均可以作为实现该目标的手段。比较应用广泛的有多目标的拓扑优化及综合设计优化。
拓扑优化的相关理论和软件经过多年发展,已经十分成熟[3]。在车身开发过程中使用拓扑优化方法的难点在于合理的边界条件与优化空间建立以及优化结果的解读和工程化。基于这两点,拓扑优化可以获得一个合理的传力路径,为一个高效的车身结构打下基础,如图3。
而综合设计优化则针对设计中后期相对成熟的车身模型。此时整个车身的载荷路径已经固定,具体板金零件形貌及分片设计也接近完成。因此优化内容包含了接头结构、材料等级以及材料料厚。通过建立全参数化的有限元模型,灵敏度分析,遗传算法等手段,寻找出最优的接头形式和材料等级与料厚组合。有文献对此专门进行过研究,其对车身减重效果可达到3.5%~6%[4][5]。
4  零件设计的成本控制
对于钢制车身,重量对成本影响明显。但并非所有的减重手段都能起到降低成本的作用。比如,在钣金零件上增加减重孔的设计,并不能降低零件自身的成本,因为这种做法并没有提升零件的材料利用率。因此除了前述的轻量化手段,还可以通过一些低成本设计的手段来进一步降低产品零件的成本。其基本思想通过以下公式体现:
?驻P=?驻C×V+?驻T(2)
其中:
?驻P 为全生命周期全部产品成本变化量;
?驻C为设计变更导致的单件成本变化量,包括但不限于重量、材料利用率、工序数、材料等级、焊点及涂胶等所有导致的产品单件成本变化量;
V为产品的规划总产量,也可以用模具寿命的若干倍替代;
?驻T为模具和工装夹具调整导致的变化量;
由于车身板金结构的整体构成多变而复杂,因此式(2)的使用场合也非常灵活。以下通过两个例子来具体阐述。
如图4所示的车身流水槽结构,某车型开发过程中初始方案为继承前代车型的分片式结构,由三个零件组成,其中还有一个非金属的总装零件。经过成本优化研究之后,简化成一个零件的方案(图5)。这个做法省去了两套模具,并且取消了非金属材料。整个系统的工序数减少,并且在材料利用率上也有所提升,最终降低了产品成本。具体分析如下。
  原方案的产品成本构成为C1+C2+C3+C焊点+C紧固件=78(元);
原方案的模具成本构成为T1+T2+T3=205(万元);
更改后方案的产品成本为58元;
更改后方案的模具成本构成为150万元;
模具寿命通常为50万次。根据式(1)可得:
?驻P=(78-58)×50+(205-150)=1055(万元)
可见在一个模具周期内,该设计变更可以为企业带来1055万元的收益。实际该车型全生命周期可能会销售100万辆以上,即意味着2000万以上的收益。
式(2)运用的另一种场合,如图6所示的车身纵梁结构,开发过程中的初始方案为继承前代车型的整体式结构,使用超高强钢材料。但拓扑结果给出了呈外撇状的路径形式,而不同于前代车型的平直结构。这就对零件的材料利用率造成了很大的损失。当这个问题被识别出来后,新方案就将该零件进行了分片,如图7所示。
对比原设计方案,新方案中系统的模具数量和总工序数虽然有所增加,并且增加了焊接步骤。但是由于零件分片,对于对性能不敏感的后半部分就可以降低其料厚,从而使系统的总重下降。同时由于两个零件各自的材料利用率对比分片前的零件均有10%以上的提升。两者成本详细对比如下:
原方案产品成本为34元;
原方案的模具成本为90万元;
现方案产品成本构成为C1+C2+C焊点=27.3(元);
现方案模具成本构成为T1+T2=100(万元);
按照50万模具寿命,由式(2)可得:
?驻P=(34-27.3)×50+(90-100)=325(万元)
可见,该设计虽然是将一个零件变为两个零件,但从材料利用率和性能精益设计角度,降低了产品的成本。因此在大规模生产的情况下,企业依然能够获得百万元量级的收益。如果该车型产量过低,全生命周期低于1.5万辆时,?驻P会小于0,即意味着该设计实际会造成产品成本上升。因此该手段同销量密切相关。
5  结论
综上所述,在车身项目开发前期,工程技术人员应对开发目标的产品定位和市场需求进行详尽的分析,制定合理的成本目标,指导后续的开发设计。而在开发过程中,则需要挖掘可降成本的空间,从设计层面提升产品的市场竞争力。这两个阶段所采取的方法可以有效地在不影响产品性能的前提下,降低产品的总体成本,最终为企业提升竞争力作出贡献。
参考文献:
[1](美)斯图尔特.价值工程方法基础[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2]潘希姣,吕新生.价值工程在汽车前轴总成改进设计中的应用[J].合肥:合肥工业大学学报,2007.
[3]舒磊,方宗德,等.汽车子结构的复合域拓扑优化[J].汽车工程,2008(5).
[4]徐涛,左文杰,等.概念车身框架结构的多变量截面参数优化[J].汽车工程,2010(5).
[5]季枫,王登峰,等.轿车白车身隐式全参数化建模与多目标轻量化优化[J] .汽车工程,2014,2.

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